anténa
Anténní technologie v mobilní komunikaci
2021-10-11 www.whwireless.com
Odhadem 10 minut na dokončení čtení
The anténa je nepostradatelnou součástí mobilní komunikace a hraje velmi důležitou roli, nachází se mezi transceiverem a prostorem šíření elektromagnetických vln a dosahuje efektivního přenosu energie mezi nimi. Navrhnutím radiačních charakteristik antény lze řídit prostorové rozložení elektromagnetické energie, aby se zlepšilo využití zdrojů a optimalizovala kvalita sítě. Zejména ve vývoji 3G se inteligentní anténa stala horkým bodem nedávného mezinárodního výzkumu mobilní komunikace.
A, mobilní anténa využívající klíčovou technologii
⒈ symetrický oscilátor a anténní pole
Forma antény použitá v proudu mobilní komunikace je hlavně linková anténa, to znamená, že délka tělesa záření antény l je mnohem větší než její průměr d řádková anténa je založena na symetrickém oscilátoru. Když je vlnová délka určená změnou frekvence vysokofrekvenčního proudu drátem mnohem větší než délka drátu, lze uvažovat o tom, že amplituda a fáze proudu na drátu jsou stejné, pouze jeho hodnota s čas t pro sinusové změny, tento krátký vodič se nazývá proudový prvek nebo Hertzian dipól, může být použit jako nezávislá anténa nebo se stát komplexní jednotkou anténní jednotky. Složité anténní elektromagnetické pole v prostoru lze vnímat jako výsledek iterativního přidávání elektromagnetických polí generovaných mnoha proudovými prvky. Vyzařovaný výkon proudového prvku je průměrem elektromagnetické energie vyzařované ven koulí za jednotku času. Energie vyzařovaného pole již nebude vrácena do vlnového zdroje, jedná se tedy o energetickou ztrátu zdroje. Když představíme koncept obvodu, použijeme ekvivalentní odpor k vyjádření této části vyzařovaného výkonu, pak se tento odpor nazývá radiační odpor, radiační odpor aktuálního prvku je:
RΣ = 80π2 (l/λ) 2 (l)
Směrový diagram aktuálního prvku lze získat integrací výpočtu. Když l/λ <0,5, jak se l/λ zvyšuje, směrová mapa se stává ostrou a má pouze hlavní klapku, která je kolmá na osu oscilátoru; když l/λ> 0,5, objeví se sekundární klapka a jak se zvyšuje l/λ, původní sekundární klapka se postupně stane hlavní klapkou, zatímco původní hlavní klapka se stane sekundární klapkou; když l/λ = 1, hlavní klapka zmizí. Tato změna směrovosti je způsobena především změnou rozložení proudu na oscilátoru.
Kombinace více symetrických oscilátorů pro vytvoření anténního pole. Podle symetrického uspořádání oscilátoru je anténní pole lze rozdělit na lineární pole, rovinné pole a trojrozměrné pole atd., různá uspořádání mají různé faktory pole. Podle principu směrového násobení můžete pomocí stejného symetrického oscilátoru jako anténní pole jednotkové antény získat různou směrovou charakteristiku, pokud jde o polohu zarovnání nebo fázi posuvu. Mobilní komunikace v všesměrová anténa s vysokým ziskem základnové stanice je oscilátor pro souosé uspořádání, stlačení svislého povrchu šířky paprsku a energii záření koncentrovanou ve směru kolmém na oscilátor, aby se zlepšil zisk antény.
The směrové charakteristiky antény a zisk
Směrové charakteristiky antény lze použít k popisu směrového grafu, ale číslo pro vyjádření koncentrace elektromagnetické energie vyzařování antény se často používá směrový koeficient D. Je definován jako: při stejném výkonu záření směrová anténa v maximální směr záření vzdálená oblast bodu hustoty energetického toku (jednotková plocha prostřednictvím výkonu elektrického pole, je úměrná druhé mocnině síly elektrického pole) a v bodě hustoty toku výkonu žádná směrová anténa. hustota poměru.
A protože ztráta samotné antény je velmi malá, lze uvažovat o tom, že vyzařovací výkon antény je malý, lze považovat za světový vyzařovací výkon rovný vstupnímu výkonu, tj. Účinnost antény η = 100%, pak anténa zisk G = η - D = D, to znamená, že zisk antény a směrový koeficient antény v hodnotě jsou stejné.
Ke zlepšení zisku antény se v případě zachování stejných radiačních charakteristik na horizontální rovině spoléhejte hlavně na zmenšení šířky radiační klapky ve vertikální rovině. Změna délky vibrátoru na zisku je velmi omezená, anténní pole je v současné době hlavním prostředkem k dosažení vysokého zisku. Lineární pole je nejjednodušší a nejpraktičtější pole všesměrové antény , v souladu s osou vibrátoru na stejné ose, podle určité intervalové vzdálenosti pro uspořádání řady oscilátorů záření, může být v rovině kolmé na osu vylepšeného radiačního pole. Aby se však dosáhlo nejlepších výsledků, musí být správně zvolena vzdálenost mezi oscilátory a fází posuvu. Jako radiační jednotka může použít poloviční vlnový oscilátor nebo v horizontální rovině má všesměrový výkon jiných zdrojů záření, jako je skládaný oscilátor nebo různé koaxiální antény atd. Společná osová anténní soustava je základnová stanice běžně používaná anténa s vysokým ziskem , to vyžaduje, aby radiační jednotka získala stejnou amplitudu a fázový posuv, podávání a sériové napájení dvou druhů posuvu. Další vysoce zisková všesměrová anténa je řada směrové antény jsou orientovány v různých směrech a tvoří aproximaci všesměrového záření. Když však má být anténa postavena ve střední části velké věže, bude směrovost souosého anténního pole zničena vlivem odrazu věže, když směrové anténní pole uspořádané rozumně kolem věže může vyřešit tento problém. Ještě důležitější je, když je frekvenční multiplexování v mobilní komunikační systém, směrová anténa může lépe snížit stejné a sousední frekvenční rušení a zlepšit frekvenční multiplexování. V sektorové buňce 120o lze použít 120o úhlový reflektor nebo 120o rovinný reflektor, v sektorové buňce 60o lze použít 60o úhlový reflektor.
Všesměrová anténa se obecně používá pro mobilní sítě s menším počtem uživatelů nebo nižší hustotou uživatelů, jako jsou příměstské, venkovské oblasti atd. 13o nebo 6,5o. směrovou anténu obecně se používá pro hustotu mobilních uživatelů vyšší oblast, jako je městská, stanice, obchodní centrum atd., jeho horizontální poloviční výkon Šířka paprsku obecně 65o, 90o, 105o, 120o, svislá šířka paprsku polovičního výkonu podle zisku antény může mít 34o, 16o nebo 8o atd.
Využití technologie rozmanitosti ke zlepšení zisku
Kvůli špatnému prostředí propagace bezdrátový signál způsobí zeslabení hloubky a dopplerovský posun atd., takže úroveň příjmu až na úroveň tepelného šumu poblíž, fáze také vytváří náhodné změny v průběhu času, což vede ke snížení kvality komunikace. V tomto ohledu můžeme použít technologii příjmu rozmanitosti ke zmírnění dopadu blednutí, získání rozmanitosti a zlepšení citlivosti příjmu. Diverzitní anténa má prostorovou rozmanitost, směrovou rozmanitost, polarizační rozmanitost a rozmanitost polních komponent. Prostorová rozmanitost je použití více přijímacích antén k dosažení. Na vysílacím konci pomocí dvojice antén k vysílání a na přijímacím konci pomocí více antén k příjmu. Vzdálenost mezi anténami na přijímacím konci d ≥ λ/2 (λ pro pracovní vlnovou délku), aby se zajistilo, že charakteristiky rozpadu výstupního signálu přijímací antény jsou na sobě navzájem nezávislé, tj. Když je výstupní signál přijímací anténa je velmi nízký, výstup ostatních přijímacích antén nemusí být v tomto stejném okamžiku také jevem nízké amplitudy, odpovídajícím slučovacím obvodem pro výběr amplitudy signálu, nejlepší poměr signálu k šumu po celou dobu, aby se amplituda signálu a poměr signálu k šumu jsou vybrány odpovídajícím slučovacím obvodem pro získání celkového výstupního signálu přijímající antény. To snižuje účinek vyblednutí kanálu a zvyšuje spolehlivost přenosu. Tato technika se používá v analogových frekvenčně dělených mobilních komunikačních systémech (FDMA), digitálních systémech s časovým dělením (TDMA) a systémech s kódovým dělením (CDMA).
Výhodou příjmu prostorové rozmanitosti je vysoký zisk diverzity, ale nevýhodou je, že a samostatná přijímací anténa je požadováno. Aby bylo možné tuto nevýhodu překonat, v posledních letech i výroba směrové duální polarizační antény. V mobilní komunikaci, dvě na stejném místě, polarizační směr kolmý na sebe navzájem antény vydané signálem vykazují vzájemně nekorelované charakteristiky blednutí. Použití této funkce, na stejném místě ve vysílači na vertikální polarizaci a horizontální polarizaci dva páry vysílacích antén, na stejném místě v přijímači na vertikální polarizaci a horizontální polarizaci dva páry přijímacích antén, můžete získat dvě charakteristiky vyblednutí silnice polarizační složky Ex a Ey nesouvisí. takzvaná směrová duální polarizační anténa je vertikální polarizace a horizontální polarizace dva páry přijímacích antén integrovaných do fyzické entity, prostřednictvím polarizace rozmanitosti příjmu k dosažení účinku příjmu prostorové rozmanitosti, takže polarizační rozmanitost je ve skutečnosti zvláštní v případě prostorové rozmanitosti. Výhodou této metody je, že vyžaduje pouze jednu anténu, která je kompaktní a šetří místo. Nevýhodou je, že jeho efekt přijímání rozmanitosti je nižší než u prostorové rozmanitosti přijímací antény , a protože vysílací výkon musí být distribuován do dvou antén, způsobí ztrátu výkonu signálu 3dB.
Zisk diverzity závisí na nekorelovaných charakteristikách antén základnových stanic a je dosažen oddělením poloh antén v horizontálním nebo vertikálním směru. Oddělení prostorového umístění zajišťuje, že dvě přijímací antény přijímají signály mobilních stanic z různých cest, a také zajišťuje, aby tyto dvě antény splňovaly požadavky určitého stupně izolace. Pokud jsou použity křížově polarizační antény, musí být splněny stejné požadavky na izolaci. Pro polarizační diverzitu duální polarizační antény je hlavním faktorem určujícím zesílení diverzity uplinkového signálu uplinku anténa ve dvou zdrojích křížového polarizačního zdroje záření. Zisk diverzity závisí na tom, zda dva zdroje křížově polarizovaného záření v duálně polarizované anténě poskytují stejnou intenzitu signálního pole ve stejné oblasti pokrytí. Tyto dva křížově polarizované zdroje musí mít dobré ortogonální charakteristiky a udržovat dobré horizontální sledovací charakteristiky v celém 120o sektoru a přepínání překrytí, nahrazující pokrytí dosažené anténou prostorové rozmanitosti. Most cross- polarizované antény mají dobré elektrické vlastnosti ve směru hlavní klapky diagramu anténního pole, ale pro anténu základnové stanice je také nutné udržovat dobré křížové polarizační charakteristiky na okraji buňky a v rámci spínacího překrytí. Aby se dosáhlo efektu pokrytí, vyžaduje se, aby anténa měla vysoké rozlišení křížové polarizace v celém sektorovém rozsahu. Duálně polarizovaná anténa v celém sektoru ortogonálních charakteristik, to znamená, že signál anténního portu se dvěma diverzitami přijímá nekorelovaný, určuje celkový efekt duální polarizované antény. Aby se dosáhlo dobrého nekorelovaného signálu v duálně polarizované anténě dvou přijímacích portů, izolace mezi těmito dvěma porty obvykle vyžaduje více než 30 dB.
Diverzitní anténa odděluje vícecestné signály tak, že nejsou navzájem korelovány, a poté jsou oddělené signály kombinovány kombinováním technik k získání maximálního zisku poměru signálu k šumu. Běžně používanými metodami slučování jsou selektivní sloučení, přepínání sloučení, sloučení maximálního poměru, sloučení se stejným ziskem atd., Tento článek nebude podrobně rozebrán.
Za druhé, inteligentní anténní technologie
⒈ tradiční omezení antény
V posledních letech se s neustálým rozvojem komunikačních potřeb staly středem pozornosti technologie inteligentních antén, které pomáhají provozovatelům bezdrátových sítí dosáhnout 2 velmi cenných účelů: zlepšit vyšší rychlost přenosu dat a zvýšit kapacitu sítě. V sítích GPRS, EDGE a 3G začínají operátoři využívat bezdrátové sítě k nabízení paketových datových služeb svým předplatitelům. Stejně jako u hlasových služeb vyžadují datové služby také určitou kvalitu rádiového signálu, aby bylo dosaženo požadované přenosové rychlosti, která závisí na poměru nosné k interferenci (C/I) sítě. Nízký poměr C/I vážně ovlivní přenosovou rychlost a kvalitu služby; ve střední a pozdní fázi GSM síť , kapacita systému se zvyšuje, buňky se rozdělují a následný nárůst interference brání dalšímu zvyšování kapacity systému, takže tradiční všesměrové a směrové antény již nestačí. Inteligentní antény využívají technologii digitálního zpracování signálu ke generování prostorově orientovaného paprsku, který poskytuje každému uživateli úzký směrový paprsek, takže signál je přenášen a přijímán v efektivní směrové oblasti, přičemž plně využívá efektivní vysílací výkon signálu a snižuje elektromagnetické znečištění a vzájemné rušení způsobené všesměrovým vyzařováním signálu, čímž se zlepšuje poměr nosiče k suchu a se zlepšeným poměrem nosiče k suchu, vyšší rychlosti přenosu dat a větší kapacita sítě.
Interference je důležitým faktorem v omezení výkonu a kapacity celulárních systémů, což způsobuje přeslechy, ztrátu hovoru nebo zhoršení signálu hovoru a rozptýlení uživatelů, a co je nejdůležitější, omezuje těsnost provozních opakovaně použitelných frekvencí, a tedy rozsah, v jakém je přenosová kapacita provozu lze extrahovat z pevného RF spektra. Rušení může pocházet z jiného mobilního terminálu, z jiných celulárních webů pracujících na stejné frekvenci nebo z vysokofrekvenční RF energie unikající do přiděleného spektra. Nejběžnějším typem buněčného rušení je rušení dvoukanálového a sousedního kanálu. Rušení dvoukanálového kanálu je způsobeno emisemi z nesousedících článků využívajících stejnou frekvenci. Toto rušení je nejnápadnější blízko buněčné hranice, když je fyzické oddělení od sousedních buněk pomocí stejné frekvence na nejnižší úrovni. Rušení sousedního kanálu je způsobeno únikem ze sousedních buněk se stejnou frekvencí do kanálu uživatele. K tomu dochází v sousedních kanálech, kde uživatel pracuje v těsné blízkosti přijímače telefonního účastníka, nebo kde je signál uživatele výrazně slabší než signál uživatele sousedního kanálu. Pro uživatele znamená vyšší poměr C/I nižší rušení, méně přerušených hovorů a lepší kvalitu zvuku; pro operátora vyšší C/I umožňuje delší vzdálenosti signálu a užší frekvenční multiplexování, čímž se zvyšuje kapacita celého systému.
Inteligentní anténa Peal Multibeam
Inteligentní anténa je anténní pole, které se skládá z N anténních jednotek, každá anténní jednotka má M sad závaží, může tvořit M různých směrů paprsku, počet uživatelů M může být větší než počet anténních jednotek N. Podle tvar použité mapy směru antény lze inteligentní anténu rozdělit do 2 kategorií: vícepaprsková anténa a adaptivní anténní pole.
Více paprskové antény použijte více paralelních paprsků k pokrytí celé uživatelské oblasti, přičemž každý paprsek směřuje do pevného směru a šířka paprsku se mění podle počtu prvků v poli. Když se uživatel pohybuje buňkou, základna podle toho zvolí jiný paprsek, aby byl přijímaný signál nejsilnější. Jelikož však jeho paprsky nejsou libovolně směrovány, lze je pouze částečně přizpůsobit aktuálnímu přenosovému prostředí. Když uživatel není ve středu pevného paprsku, ale na okraji paprsku a interferenční signál je ve středu paprsku, je přijímací efekt nejhorší, takže vícepaprsková anténa nemůže dosáhnout nejlepšího příjem signálu. Ve srovnání s adaptivním anténním polem má výhody jednoduché struktury, není třeba posuzovat směr příchodu uživatelských signálů a rychlou dobu odezvy. Ještě důležitější je, že stejný paprsek z uplinku může být také použit pro downlink, čímž poskytuje zisk i pro downlink. Avšak kvůli zkreslení sektoru, jako je rozdíl ve směrových mapách mezi paprsky, je zisk získaný vícepaprskovou anténou nerovnoměrně rozložen s ohledem na úhel. Někdy může dosáhnout rozdílu 2 dB mezi paprsky a existuje také možnost, že se kvůli vícecestnému nebo rušení uzamknou ve špatném paprsku, protože nemohou potlačit rušivé signály, které jsou ve stejném paprsku jako užitečný signál. Více paprskové antény, známé také jako antény přepínající paprsky, lze ve skutečnosti považovat za techniku mezi sektorovými směrovými anténami a plně adaptivními anténami. Více paprsková anténa stojí za to prostudovat následující obsah: jak rozdělit vzdušný prostor, tj. Určit problém paprsku, včetně počtu a tvaru; implementace sledování paprsku, týká se hlavně implementace algoritmů rychlého vyhledávání atd .; přepínací paprsek a adaptivní tvarování paprsku teoretický vztah atd.
Adaptivní anténní pole
Adaptive Antenna Array (Adaptive Antenna Array), původně používané v radaru, sonaru, armádě, používané hlavně k dokončení prostorového filtrování a určování polohy, jako například radar s fázovým polem, je relativně jednoduché adaptivní anténní pole. Adaptivní anténa je anténní pole, které nepřetržitě upravuje vlastní směrovou mapu pomocí zpětnovazebního řízení. Jeho směrová mapa je podobná jako u améby, která nemá pevný tvar a mění se signálem a interferencí. Obecně použijte strukturu prvků pole antény 4 ~ 16, rozteč prvků pole 1/2 vlnové délky, rozteč je příliš velká, každý stupeň korelace přijímaného signálu je snížen, rozteč je příliš malá a vytvoří zbytečnou dílčí klapku ve směrové mapě. Inteligentní anténa používá technologii digitálního zpracování signálu (DSP) k identifikaci směru příchodu uživatelského signálu a vytváří hlavní paprsek v tomto směru, aby poskytl prostorový kanál. Protože adaptivní anténa může vytvářet různé směrové mapy antén a lze ji aktualizovat softwarovým designem za účelem doplnění adaptivního algoritmu a adaptivní úpravy směrové mapy, může zvýšit flexibilitu systému bez změny hardwarové konfigurace systému, proto je také známá jako softwarová anténa. Nevýhodou adaptivního anténního pole je to, že algoritmus je složitější a dynamická odezva je pomalejší.
Jádro adaptivní anténa výzkum je adaptivní algoritmus, bylo navrženo mnoho známých algoritmů, obecně existují dvě kategorie neslepých algoritmů a slepé algoritmy. Neslepý algoritmus je algoritmus, který potřebuje použít referenční signál (sekvence naváděcí frekvence nebo kanál s naváděcím kmitočtem), v tuto chvíli přijímač ví, co je odesláno, zpracování algoritmu buď nejprve určí odezvu kanálu a poté podle určitých kritérií, jako jsou například kritéria nucené nulové nuly (nulové nucení) k určení hodnoty vážení, nebo přímo podle určitých kritérií k určení nebo postupné úpravě hodnoty vážení, aby byl výstup inteligentní antény a známá vstupní maximální korelace Nejčastěji používaná korelační kritéria jsou MMSE (minimální průměrná chyba čtverce), LMS (nejmenší střední čtverec) a LS (nejmenší čtverečky). Slepé algoritmy nevyžadují vysílač vysílat známý frekvenční signál, algoritmus zpětné vazby rozhodování (Decision Feedback) je speciální typ slepého algoritmu, přijímač odhaduje odeslaný signál a používá jej jako referenční signál pro výše uvedené zpracování, ale je třeba poznamenat, že rozhodovací signál a skutečný signál přenášený mezi malou chybou. Slepé algoritmy obecně využívají funkce vlastní samotnému modulovanému signálu, nezávislé na konkrétních bitech přenášených informací, a jsou obvykle založeny na různých algoritmech založených na gradientu využívajících různá množství omezení. Neslepé algoritmy jsou obvykle méně náchylné k chybám a konvergují rychleji než slepé algoritmy, ale vyžadují určité množství zbytečných systémových prostředků. Servisní kanál multiplexování s časovým dělením.
Je třeba poznamenat, že inteligentní anténa používá prchavý paprsek pro uplinkový signál každého uživatele, ale když uživatel nevysílá, pouze v přijímacím stavu a pohybuje se v oblasti pokrytí základnové stanice (klidový stav), základna stanici nelze zjistit polohu uživatele, může k přenosu použít pouze všesměrový paprsek (například synchronní, vysílací, stránkovací a jiné fyzické kanály v systému), to znamená, že základní stanice musí být schopna poskytovat všesměrové a směrové uprchlý paprsek. To vyžaduje mnohem vyšší vysílací výkon pro všesměrové kanály, což je třeba vzít v úvahu při návrhu systému.
Zpěv příklady chytrá anténa aplikace
Některé inteligentní antény se již komerčně používají, například inteligentní anténní systém SpotLight GSM od společnosti Metaware v USA, který společnost Shanghai Unicom s dobrými výsledky používala a nahradila 120 ° sektorová anténa se čtyřmi 30 ° antény. Systém se při převodu vysílacích a přijímacích paprsků spoléhá na patentovaný optimální algoritmus výběru paprsku. RF energie se přenáší po proudu v určených 30 ° paprsek v každém časovém úseku místo celých 120 ° sektoru, takže interference sousedních kanálů je v sousedních buňkách výrazně snížena. Podobně je otevřený paprsek pro příjem rušení kokanálového kanálu účinně snížen ze 120 ° do 30 °. Tím se účinně snižuje rušení dvoukanálového kanálu o faktor 4 pro 30 ° anténa ve srovnání s jedinou 120 ° sektorová anténa , což je teoreticky ekvivalentní zlepšení 6dB C/I. Tento zisk má za následek zlepšení jak uplinku (sluchátko-základnová stanice), tak downlinku (základna-mobilní telefon) komunikačního kanálu.
jsou vylepšeny. Na vzestupné straně se zvyšuje poměr nosiče k suchu buněk u inteligentních anténních systémů, zatímco na sestupné straně se zvyšuje poměr buněk k nosiči ve stejném frekvenčním rozsahu, které již byly viditelné. SpotLight GSM provádí konverzi paprsků bez další komunikace se základnovou stanicí, takže instalace systému SpotLight GSM nezvyšuje komunikační zátěž na základnové stanici. Ve skutečnosti je zatížení procesoru základny sníženo kvůli menšímu počtu neplatných testovacích hovorů a opakování volby kvůli rušení nebo špatnému pokrytí. Kromě toho bylo zjištěno, že v buňkách, kde byla použita inteligentní anténa, se nejen efektivně zlepšila kapacita a kvalita sítě v buňkách, ale průměrný přijímaný a vysílaný výkon mobilních telefonů v buňkách se snížil o 2–3 dB, zejména vysílací výkon mobilních telefonů, který se snížil na 54% původní úrovně, a procento mobilních telefonů vysílajících na plný výkon se snížilo z 22% na 8%. SpotLight GSM Inteligentní Snížením vysílacího a přijímacího výkonu mobilních telefonů anténa snižuje vyzařování elektromagnetických vln z mobilních telefonů do lidského těla a zlepšením kapacity a kvality sítě snižuje počet nových základnových stanic založených na buňka, a je proto známá jako „zelená anténa“.
Za třetí, závěr
Jako důležitá součást mobilní komunikace hraje anténa obrovskou roli při zlepšování výkonu a kvality sítě. Technologie antén se rychle rozvíjí, technologie diverzity antén je důležitým prostředkem ke zlepšení zisku systému, režim rozmanitosti má prostorovou diverzitu a polarizační rozmanitost atd .; pro pohodlí techniky a údržby je k dispozici elektricky nastavitelný náklon úhlová anténa ; aby se zajistilo, že mapa směru světa nebude zdeformována a zdeformována, vývoj vestavěné úhlové antény. Zejména v posledních letech představuje inteligentní anténa směr vývoje mobilní komunikační anténní technologie, v praktických aplikacích prokázala velké výhody, ale je zapotřebí dalšího výzkumu a vylepšení při zrychlování rychlosti odezvy přiřazování paprsků a přepínání.
